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JP2012080963A - X-ray image photographing method and x-ray image photographing apparatus - Google Patents

X-ray image photographing method and x-ray image photographing apparatus Download PDF

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JP2012080963A JP2010227872A JP2010227872A JP2012080963A JP 2012080963 A JP2012080963 A JP 2012080963A JP 2010227872 A JP2010227872 A JP 2010227872A JP 2010227872 A JP2010227872 A JP 2010227872A JP 2012080963 A JP2012080963 A JP 2012080963A
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Abstract

【課題】X線源に対する試料および検出器間の距離を微調整するだけで、目的に応じて高分解能位相コントラスト画像と高分解能吸収コントラスト画像を短時間で撮影することができるX線画像撮影方法およびX線画像撮影装置を提供する。
【解決手段】有限の大きさをもつX線源を用い、高い空間分解能で微細な構造を撮影可能にするX線画像撮影方法であって、X線源110から試料500までの距離をL、試料500から検出器130までの距離をdとするとき、d/Lが1より十分に小さい。また、X線源110から照射されるX線の平均波長をλとし、検出器130の分解能をΔとするとき、位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離が1/3Δ以上3Δ以下である。
【選択図】図1
An X-ray imaging method capable of imaging a high-resolution phase contrast image and a high-resolution absorption contrast image in a short time according to the purpose only by finely adjusting a distance between a sample and a detector with respect to an X-ray source. And an X-ray imaging apparatus.
An X-ray imaging method that enables imaging of a fine structure with high spatial resolution using an X-ray source having a finite size, wherein the distance from the X-ray source 110 to a sample 500 is L, When the distance from the sample 500 to the detector 130 is d, d / L is sufficiently smaller than 1. When the average wavelength of X-rays emitted from the X-ray source 110 is λ and the resolution of the detector 130 is Δ, the distance between the peak position and the valley position of the phase contrast is 1 / 3Δ or more and 3Δ or less. It is.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、有限の大きさをもつX線源を用い、微細な構造を撮影可能にするX線画像撮影方法およびX線画像撮影装置に関する。   The present invention relates to an X-ray image capturing method and an X-ray image capturing apparatus that use an X-ray source having a finite size and can capture a fine structure.

従来、X線透過画像撮影の分野では検出器の分解能は高くても十数μmであった。したがって、分解能の高い画像を撮影するためには、10μm以下程度のなるべく小さな焦点サイズのX線源を用い、試料を拡大投影し画像撮影をしていた。すなわち、X線源から試料までの距離を小さくし、試料から検出器までの距離を十分に大きくとり、その距離関係を調整して倍率を調整していた。   Conventionally, in the field of X-ray transmission imaging, the resolution of the detector is at most a dozen μm. Therefore, in order to capture an image with high resolution, an X-ray source having a focal point size as small as 10 μm or less is used, and the sample is enlarged and projected to capture an image. That is, the distance from the X-ray source to the sample is reduced, the distance from the sample to the detector is sufficiently large, and the distance is adjusted to adjust the magnification.

これに対して、位相コントラストを用いた撮影と吸収コントラストを用いた撮影を同一装置で行う方法が研究されている(特許文献1〜3、非特許文献1)。たとえば、特許文献1は、試料から検出器までの距離とX線源から試料までの距離との比を0.5にして、位相コントラストを利用し、エッジを強調した画像の撮影方法を開示している。   On the other hand, methods for performing imaging using phase contrast and imaging using absorption contrast with the same apparatus have been studied (Patent Documents 1 to 3, Non-Patent Document 1). For example, Patent Document 1 discloses a method of capturing an image in which an edge is emphasized using a phase contrast with a ratio of a distance from a sample to a detector and a distance from an X-ray source to a sample being 0.5. ing.

特開2001−238871号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-238871 特開2006−26425号公報JP 2006-26425 A 国際公開第2007/007473号パンフレットInternational Publication No. 2007/007473 Pamphlet

大原弘、儀同智紀、石坂哲、本田凡、「位相コントラスト乳房撮影の原理と画像」、Vol.23(2006)、No.2、pp.27-33Hiroshi Ohara, Satoshi Yoshitomo, Satoshi Ishizaka, Tsuyoshi Honda, “Principles and Images of Phase Contrast Mammography”, Vol.23 (2006), No.2, pp.27-33

しかしながら、上記のような拡大投影を用いたX線透過画像の撮影方法では、X線源、試料および検出器の配置により拡大倍率が決まる。したがって、微細な構造を高い分解能で撮影するための高倍率撮影条件では、その倍率を維持して位相コントラストと吸収コントラストの割合を自由に調整することは容易にできない。一方で、SEMやTEM等の電子線を用いた方法では、試料表面や薄い試料に対しての高い分解能の画像を得ることはできるが、厚い試料内部の構造を撮影することは困難である。   However, in the X-ray transmission image capturing method using the enlarged projection as described above, the enlargement magnification is determined by the arrangement of the X-ray source, the sample, and the detector. Therefore, under high magnification photographing conditions for photographing a fine structure with high resolution, it is not easy to freely adjust the ratio between the phase contrast and the absorption contrast while maintaining the magnification. On the other hand, a method using an electron beam such as SEM or TEM can obtain a high-resolution image of a sample surface or a thin sample, but it is difficult to photograph the structure inside a thick sample.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、X線源に対する試料および検出器間の距離を微調整するだけで、目的に応じて高分解能位相コントラスト画像と高分解能吸収コントラスト画像を短時間で撮影することができるX線画像撮影方法およびX線画像撮影装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and by finely adjusting the distance between the sample and the detector with respect to the X-ray source, a high-resolution phase contrast image and a high-resolution absorption contrast image can be obtained depending on the purpose. An object of the present invention is to provide an X-ray image capturing method and an X-ray image capturing apparatus capable of capturing an image in a short time.

(1)上記の目的を達成するため、本発明に係るX線画像撮影方法は、有限の大きさをもつX線源を用い、高い空間分解能で微細な構造を撮影可能にするX線画像撮影方法であって、X線源から試料までの距離をL、前記試料から検出器までの距離をdとするとき、d/Lが1より十分に小さく、前記X線源から照射されるX線の波長をλとし、前記検出器の分解能をΔとするとき、以下の数式を満たすことを特徴としている。
なお、通常のX線源においては、放射されるX線は1つの波長λだけでなく、多数のX線波長を含んでいる。そのような場合、数1のλは試料に照射されるスペクトラムに応じて加重平均した数値に置き換えられる。
(1) In order to achieve the above object, an X-ray imaging method according to the present invention uses an X-ray source having a finite size and enables X-ray imaging to enable imaging of a fine structure with high spatial resolution. In this method, when the distance from the X-ray source to the sample is L and the distance from the sample to the detector is d, d / L is sufficiently smaller than 1, and the X-ray irradiated from the X-ray source Where λ is the wavelength of λ and the resolution of the detector is Δ, the following formula is satisfied.
In a normal X-ray source, the emitted X-ray includes not only one wavelength λ but also a number of X-ray wavelengths. In such a case, λ in Equation 1 is replaced with a numerical value obtained by weighted averaging according to the spectrum irradiated on the sample.

上記の特徴により、X線源に対する試料および検出器の配置をd/L≪1の範囲で調整するだけでミクロンオーダーで試料の輪郭を強調した位相コントラスト画像を撮影したり、吸収コントラストによるCT再構成をしたりすることを可能にする。また、比較的大きな焦点サイズの高出力X線源を用いることができ、短時間で高分解能のX線透過画像を得ることができる。なお、1より十分に小さいとは、(L+d)/L=1+d/Lで記述される撮影倍率がほぼ1で近似されることを意味する。   Due to the above features, a phase contrast image in which the contour of the sample is emphasized on the order of microns can be taken by simply adjusting the arrangement of the sample and the detector with respect to the X-ray source in the range of d / L << 1, and CT reconstruction by absorption contrast can be performed. Make it possible to configure. In addition, a high-power X-ray source having a relatively large focal spot size can be used, and a high-resolution X-ray transmission image can be obtained in a short time. Note that being sufficiently smaller than 1 means that the photographing magnification described by (L + d) / L = 1 + d / L is approximated by 1.

(2)また、本発明に係るX線画像撮影方法は、前記d/Lが0.1以下であることを特徴としている。これにより、十分大きな焦点サイズの高出力X線源を用いても高分解能の検出器を用いて数ミクロン以下の分解能で画像が得られるだけでなく、X線源の焦点位置のドリフトに対して安定した撮影を行なうことができる。   (2) Further, the X-ray imaging method according to the present invention is characterized in that the d / L is 0.1 or less. As a result, even if a high-power X-ray source having a sufficiently large focal size is used, not only an image can be obtained with a resolution of several microns or less using a high-resolution detector, but also the focal position drift of the X-ray source can be prevented. Stable shooting can be performed.

(3)また、本発明に係るX線画像撮影方法は、前記X線源の焦点サイズが、前記Δより十分大きいことを特徴としている。これにより、焦点サイズに制限されず、高出力のX線源を利用することができる。なお、十分大きいとは、たとえばS>10Δを満たす程度に大きいことをいう。   (3) Further, the X-ray imaging method according to the present invention is characterized in that a focal spot size of the X-ray source is sufficiently larger than the Δ. This makes it possible to use a high-power X-ray source without being limited by the focal spot size. Note that sufficiently large means that it is large enough to satisfy, for example, S> 10Δ.

(4)また、本発明に係るX線画像撮影方法は、前記検出器が、2μm以下の空間分解能を有することを特徴としている。これにより、高分解能でX線透過像を検出できる。   (4) The X-ray imaging method according to the present invention is characterized in that the detector has a spatial resolution of 2 μm or less. Thereby, an X-ray transmission image can be detected with high resolution.

(5)また、本発明に係るX線画像撮影方法は、前記X線源が用いられる際の供給電力が30W以上であることを特徴としている。これにより、大きい電力を用い短時間で撮影できる。   (5) Further, the X-ray imaging method according to the present invention is characterized in that the power supplied when the X-ray source is used is 30 W or more. Thereby, it can image | photograph in a short time using big electric power.

(6)また、本発明に係るX線画像撮影方法は、前記X線源に、発散X線をX線光学素子で集光して形成された微小な焦点を仮想光源として用いることを特徴としている。これにより、単色の仮想光源を使えば一つのλで撮影できる。また、吸収係数も定量的に算出でき、定量的な密度情報を持つCT再構成が可能になる。   (6) Further, the X-ray imaging method according to the present invention is characterized in that a minute focal point formed by converging divergent X-rays with an X-ray optical element is used as a virtual light source for the X-ray source. Yes. As a result, if a single color virtual light source is used, it is possible to photograph with one λ. In addition, the absorption coefficient can be calculated quantitatively, and CT reconstruction with quantitative density information becomes possible.

(7)また、本発明に係るX線画像撮影装置は、有限の大きさをもち、X線を発生させるX線源と、前記発生したX線が照射される試料を支持する支持台と、前記試料を透過したX線を検出する検出器と、を備え、前記X線源から前記試料までの距離をL、前記試料から前記検出器までの距離をdとするとき、前記X線源、支持台および検出器の配置を調整し、d/Lを1より十分に小さくして、前記試料の微細な構造を撮影可能にすることを特徴としている。   (7) Further, an X-ray imaging apparatus according to the present invention has a finite size, an X-ray source that generates X-rays, a support base that supports a sample irradiated with the generated X-rays, A detector that detects X-rays transmitted through the sample, and when the distance from the X-ray source to the sample is L and the distance from the sample to the detector is d, the X-ray source, The arrangement of the support base and the detector is adjusted so that d / L is sufficiently smaller than 1 so that the fine structure of the sample can be photographed.

これにより、X線源に対する試料および検出器の配置を調整することで試料の輪郭を強調した位相コントラストによる画像を撮影したり、吸収コントラストによる画像を自由に選択して撮影することができ、定量性の高い、かつアーティファクトの少ないCT再構成を可能にする。また、強力なX線源を用いることにより、短時間で高分解能のX線透過画像を得ることができる。   As a result, by adjusting the arrangement of the sample and detector with respect to the X-ray source, it is possible to take an image with a phase contrast that emphasizes the contour of the sample, or to select and take an image with an absorption contrast freely. Enables CT reconstruction with high performance and low artifacts. Further, by using a powerful X-ray source, a high-resolution X-ray transmission image can be obtained in a short time.

本発明によれば、X線源に対する試料および検出器の配置を微調整することにより、短時間かつ高分解能で位相コントラスト画像や吸収コントラスト画像を撮影することができる。   According to the present invention, by finely adjusting the arrangement of the sample and the detector with respect to the X-ray source, a phase contrast image and an absorption contrast image can be taken in a short time and with high resolution.

本発明に係るX線画像撮影方法のためのコンフィグレーションを示す概略図である。It is the schematic which shows the configuration for the X-ray image imaging method which concerns on this invention. 焦点と投影との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a focus and projection. 位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離を示す図である。It is a figure which shows the distance between the peak position and trough position of a phase contrast. (a)(b)それぞれ試料サイズ10μm、試料サイズ50μmで平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の間の距離fと、試料と検出器の間の距離dとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。(A) (b) The relationship between the distance f between the peak and trough of the intensity and the distance d between the sample and the detector when phase contrast is generated by plane waves with a sample size of 10 μm and a sample size of 50 μm, respectively. It is a graph which shows a simulation result. (a)(b)それぞれ試料サイズ10μm、試料サイズ50μmでそれぞれ平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の距離とX線の波長λの関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。(A) (b) It is a graph which shows the simulation result about the relationship of the distance of the intensity | strength peak and trough, and the wavelength (lambda) of X-ray when a phase contrast is produced by a plane wave, respectively by sample size 10micrometer and sample size 50micrometer. . (a)、(b)それぞれ試料と検出器との距離を1mm、5mmにした場合撮影した植物細胞のX線透過画像である。(A), (b) It is the X-ray transmission image of the plant cell image | photographed when the distance of a sample and a detector is 1 mm and 5 mm, respectively. (a)、(b)、(c)それぞれカーボンファイバーレインフォースドプラスティック(CFRP、炭素繊維強化樹脂)の直交する2つの断面および拡大断面のCT画像である。(A), (b), (c) is a CT image of two orthogonal cross sections and an enlarged cross section of a carbon fiber reinforcement plastic (CFRP, carbon fiber reinforced resin), respectively. (a)、(b)それぞれ蟻の足を垂直に切断した断面、足に沿った方向の断面のCT画像である。(A), (b) It is CT image of the cross section which cut | disconnected the leg of the ant | vertical vertically, and the cross section of the direction along a leg | foot, respectively. 第2の実施形態に係る仮想光源を生成するコンフィグレーションを示す図である。It is a figure which shows the configuration which produces | generates the virtual light source which concerns on 2nd Embodiment.

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.

[第1の実施形態]
(装置構成)
図1は、本発明のX線画像撮影方法のためのコンフィグレーションを示す概略図である。このようなコンフィグレーションは、X線画像撮影装置100の各部配置により構成されている。図1に示すように、X線画像撮影装置100は、X線源110、支持台120および検出器130を備えている。
[First Embodiment]
(Device configuration)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration for an X-ray imaging method of the present invention. Such a configuration is configured by the arrangement of each part of the X-ray imaging apparatus 100. As shown in FIG. 1, the X-ray imaging apparatus 100 includes an X-ray source 110, a support 120, and a detector 130.

X線源110は、有限な焦点サイズを有する実験室で用いられるX線源である。X線源110には、シンクロトロン放射による放射光は用いられない。具体的には、銅、モリブデン、タングステン等をターゲットしたX線源が用いられ、特に種類は限定されないが、特性X線の波長に応じて各部の配置が調整される。なお、X線源110は、必ずしも電子衝突型、プラズマX線、逆コンプトン放射等に限られず、後述の仮想光源も含まれる。   The X-ray source 110 is an X-ray source used in a laboratory having a finite focal size. The X-ray source 110 does not use synchrotron radiation. Specifically, an X-ray source targeting copper, molybdenum, tungsten or the like is used, and the type is not particularly limited, but the arrangement of each part is adjusted according to the wavelength of the characteristic X-ray. The X-ray source 110 is not necessarily limited to the electron collision type, plasma X-ray, inverse Compton radiation, and includes a virtual light source described later.

X線源110の焦点サイズは、検出器の分解能Δより十分に大きいことが好ましい。これにより、焦点サイズに制限されず、高出力のX線源110を利用することができる。そして、d/Lが1より十分に小さいため、X線源110の焦点位置のドリフトに対しても安定した撮影を行うことができる。なお、X線源110への供給電力は30W以上が好ましく、100W以上であることがさらに好ましい。このように大きな電力を供給することで、短時間でX線画像を撮影できる。   The focal spot size of the X-ray source 110 is preferably sufficiently larger than the resolution Δ of the detector. Thus, the high-power X-ray source 110 can be used without being limited by the focal spot size. Since d / L is sufficiently smaller than 1, stable imaging can be performed even with respect to the drift of the focal position of the X-ray source 110. Note that the power supplied to the X-ray source 110 is preferably 30 W or more, and more preferably 100 W or more. By supplying such a large electric power, an X-ray image can be taken in a short time.

支持台120は、X線が照射される試料500を支持する。支持台120は、試料500を固定でき、回転制御が可能になっている。回転軸のぶれが小さい方が好ましく、特にこれが1μm以下であることが好ましい。これにより、ソフトウェアによる補正なしに高分解能のCT再構成を実現できる。   The support table 120 supports the sample 500 irradiated with X-rays. The support table 120 can fix the sample 500 and can be rotated. It is preferable that the rotational shaft is less shaken, and it is particularly preferable that this be 1 μm or less. Thereby, high-resolution CT reconstruction can be realized without correction by software.

検出器130は、試料500を透過したX線を検出する。検出器130は、10μm未満の高い空間分解能を有している。検出器130の空間分解能は、7μm以下が好ましく、1μm以下であればさらに好ましい。これにより、高分解能のX線透過像を活かして高分解能の検出が可能になる。仮想光源を用いて単色化したX線を用いる場合のX線画像撮影装置100では繊細な試料に対しても高コントラストの像が得られ、これは生体の軟組織や、有機物の工業製品等の微細な構造を観察するのに適している。   The detector 130 detects X-rays that have passed through the sample 500. The detector 130 has a high spatial resolution of less than 10 μm. The spatial resolution of the detector 130 is preferably 7 μm or less, and more preferably 1 μm or less. As a result, high-resolution detection can be performed using a high-resolution X-ray transmission image. The X-ray imaging apparatus 100 using a monochromatic X-ray using a virtual light source can obtain a high-contrast image even for a delicate sample, which is a fine tissue such as a soft tissue of a living body or an organic industrial product. It is suitable for observing simple structures.

また、X線画像撮影装置100は、たとえばスライド機構(図示せず)を有し、X線源110に対する支持台120または検出器130の配置を制御することで微調整可能である。そして、d/L≪1の範囲で微調整により位相コントラストによる輪郭を強調した画像や吸収コントラストによるCT再構成に適した画像を撮影できる。このとき、d/Δ≪1であるため倍率(L+d)/L=1+d/Lが約1であり、倍率や視野を変えずに位相コントラストの度合いを調整することも可能になる。   The X-ray imaging apparatus 100 has, for example, a slide mechanism (not shown), and can be finely adjusted by controlling the arrangement of the support 120 or the detector 130 with respect to the X-ray source 110. Then, it is possible to capture an image in which the contour by phase contrast is emphasized by fine adjustment within the range of d / L << 1, and an image suitable for CT reconstruction by absorption contrast. At this time, since d / Δ << 1, the magnification (L + d) / L = 1 + d / L is about 1, and the degree of phase contrast can be adjusted without changing the magnification and the field of view.

(画像撮影)
上記のように構成されたX線画像撮影装置100を用いて画像を撮影できる。X線源110から試料500までの距離をL、試料500から検出器130までの距離をdとするとき、X線源110、支持台120および検出器130の配置を調整し、d/Lを1より十分に小さくして測定する。d/Lは、0.1以下であることが好ましい。このようにして試料500の微細な構造を撮影可能にしている。
(Image shooting)
An image can be captured using the X-ray image capturing apparatus 100 configured as described above. When the distance from the X-ray source 110 to the sample 500 is L and the distance from the sample 500 to the detector 130 is d, the arrangement of the X-ray source 110, the support 120 and the detector 130 is adjusted, and d / L is Measurement is made sufficiently smaller than 1. d / L is preferably 0.1 or less. In this way, the fine structure of the sample 500 can be photographed.

図2は、焦点と投影との関係を示す図である。上記のような配置ではd/Lが小さく、X線源の焦点サイズSが検出器130上ではd/L倍に縮小投影されるため、検出器130に投影されるX線源の像の大きさδはd/L倍だけ小さくなる。したがって、十分大きな焦点サイズのX線源を使っても高分解能な画像を撮影できるだけでなく、焦点位置のドリフトの影響も小さく抑えることができる。このように大きな焦点サイズを有する高出力X線源を用いることができる結果、短時間での効率的な撮影が可能となる。   FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the focal point and the projection. In the arrangement as described above, d / L is small, and the focal point size S of the X-ray source is projected to be reduced by d / L times on the detector 130. Therefore, the size of the image of the X-ray source projected on the detector 130 is large. The depth δ is reduced by d / L times. Therefore, not only a high-resolution image can be taken even if an X-ray source having a sufficiently large focal point size is used, but also the influence of the drift of the focal point position can be suppressed. As a result of using such a high-power X-ray source having a large focal spot size, efficient imaging can be performed in a short time.

X線画像撮影装置100の各部の配置は、d/Lを十分に小さくする以外に次のような条件も満たす。すなわち、X線源110から照射されるX線の平均波長をλとし、検出器130の分解能をΔとするとき、X線画像撮影装置100の構成は、以下の数式を満たす。
The arrangement of each part of the X-ray imaging apparatus 100 satisfies the following conditions in addition to sufficiently reducing d / L. That is, when the average wavelength of X-rays emitted from the X-ray source 110 is λ and the resolution of the detector 130 is Δ, the configuration of the X-ray imaging apparatus 100 satisfies the following mathematical formula.

試料500から検出器130までの距離dを上記の数式(1)の範囲で調整することで、X線源110に対する試料500、検出器130の配置を調整し位相コントラストで試料の輪郭を強調した画像を撮影したり、吸収コントラストでCT再構成のための画像を撮影したりすることが可能になる。   By adjusting the distance d from the sample 500 to the detector 130 within the range of the above formula (1), the arrangement of the sample 500 and the detector 130 with respect to the X-ray source 110 is adjusted, and the contour of the sample is emphasized by phase contrast. It is possible to take an image or to take an image for CT reconstruction with absorption contrast.

X線は、屈折により拡がって影が映る。そして、投影された強度の分布形状が、試料500の位置と検出器130との距離dで決まる。X線画像撮影装置100は、この距離dを適当な大きさに調整できる。図3は、位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離を示す図である。位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離f(λ,d)は、いわゆる位相コントラスト(フェイズのフリンジ)であり、フレネル回折を考慮することで以下の通りに導ける。
X-rays spread due to refraction and show a shadow. The projected intensity distribution shape is determined by the distance d between the position of the sample 500 and the detector 130. The X-ray imaging apparatus 100 can adjust this distance d to an appropriate size. FIG. 3 is a diagram illustrating the distance between the peak position and the valley position of the phase contrast. The distance f (λ, d) between the peak position and the valley position of the phase contrast is a so-called phase contrast (phase fringe), and can be derived as follows by considering Fresnel diffraction.

図4(a)(b)は、それぞれ径10μm、径50μmの円筒形の試料に対して平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の間の距離fと、試料と検出器の間の距離dとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。このときX線の波長λは229pmとして算出している。図4(a)(b)に示すように、試料の径に関係なく、距離fはd=5mmで約1μmになる。また、図5(a)(b)は、それぞれ径10μm、径50μmの円筒形の試料に対して平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の距離fとX線の波長λの関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。このとき試料500から検出器130までの距離dは2mmである。図5(a)(b)に示すように、試料の径に関係なく、たとえば229pmの波長では、距離fは約0.65μmとなっている。これらの関係を数式化したものが上記の数式(2)である。   4 (a) and 4 (b) show the distance f between the peak and trough of the intensity when a phase contrast is generated by a plane wave for a cylindrical sample having a diameter of 10 μm and a diameter of 50 μm, and the sample and detector. It is a graph which shows the simulation result of the relationship with the distance d between. At this time, the wavelength λ of the X-ray is calculated as 229 pm. As shown in FIGS. 4A and 4B, the distance f is about 1 μm when d = 5 mm regardless of the diameter of the sample. 5 (a) and 5 (b) show the peak-to-valley distance f and X-ray wavelength λ when phase contrast is generated by plane waves on cylindrical samples having diameters of 10 μm and 50 μm, respectively. It is a graph which shows the simulation result about this relationship. At this time, the distance d from the sample 500 to the detector 130 is 2 mm. As shown in FIGS. 5A and 5B, regardless of the diameter of the sample, for example, at a wavelength of 229 pm, the distance f is about 0.65 μm. The above formula (2) is obtained by formulating these relationships.

このようにして与えられるfを、検出器130の分解能程度またはそれ以上にしておけば、撮影画像の輪郭を強調できる。しかし、このようにしてエッジが強調された画像は、実際の吸収係数の差以上に強度に差が生じており、定量的な吸収係数の評価には適していない。たとえばX線撮影画像をCT再構成に用いる場合、どの方向からみてもエッジが強調されすぎるため、強いアーティファクトが発生し、再構成は困難になる。   If f given in this way is about the resolution of the detector 130 or higher, the contour of the captured image can be enhanced. However, the image in which the edge is emphasized in this way has a difference in intensity more than the actual difference in absorption coefficient, and is not suitable for quantitative evaluation of the absorption coefficient. For example, when an X-ray image is used for CT reconstruction, since the edge is excessively emphasized from any direction, strong artifacts are generated and reconstruction is difficult.

そこで、CT再構成用には、位相コントラストを抑制し、吸収コントラストによる画像を撮影する。その場合には、位相コントラストf(λ,d)の値を検出器130の分解能Δの値より小さくなるように微調整して撮像することが好ましい。よって、吸収コントラストによる画像を撮影する場面では、位相コントラストf(λ,d)が、少なくとも検出器130の分解能Δの1/3以上かつ1倍以下となる範囲を満たしていればよい。そして、X線画像撮影装置100は、少なくともその範囲で各部配置を微調整できる必要がある。   Therefore, for CT reconstruction, the phase contrast is suppressed and an image with absorption contrast is taken. In this case, it is preferable to finely adjust the phase contrast f (λ, d) so that the value is smaller than the value of the resolution Δ of the detector 130 for imaging. Therefore, in a scene where an image with absorption contrast is taken, it is only necessary that the phase contrast f (λ, d) satisfy at least a range in which the resolution Δ of the detector 130 is not less than 1/3 and not more than 1 time. The X-ray imaging apparatus 100 needs to be able to finely adjust the arrangement of each part at least within the range.

一方、エッジを強調して透過像を撮影する場合には、検出器の分解能Δが位相コントラストf(λ、d)の値より小さくなるように調整する必要がある。したがって、撮影時には、位相コントラストf(λ,d)が、数式(1)に示すように検出器130の分解能Δの1/3以上かつ3倍以下となる範囲内で各部の配置を調整することで、微細な構造の観察で位相コントラストの画像および吸収コントラストの画像の両方を撮影することができる。   On the other hand, when a transmission image is captured with the edge emphasized, it is necessary to adjust so that the resolution Δ of the detector is smaller than the value of the phase contrast f (λ, d). Therefore, at the time of photographing, the arrangement of each part is adjusted within a range in which the phase contrast f (λ, d) is not less than 1/3 and not more than 3 times the resolution Δ of the detector 130 as shown in Equation (1). Thus, both the phase contrast image and the absorption contrast image can be taken by observing the fine structure.

(実施例1)
次に、X線画像撮影装置100を用いた実験を説明する。まず、植物の葉を試料として位相コントラストを用いたX線透過画像を撮影した。供給電力875W、Crターゲット、焦点サイズ70μmのX線源110、0.65μmの画素サイズ(0.65μmの空間分解能)を有する検出器130を用いた。X線源110と試料500との間の距離Lは250mmとした。図6(a)は、試料500と検出器130との距離dを1mmにした場合、図6(b)は、試料500と検出器130との距離dを5mmにした場合に撮影された植物の細胞のX線透過画像を示す図である。
Example 1
Next, an experiment using the X-ray imaging apparatus 100 will be described. First, an X-ray transmission image using phase contrast was taken using a plant leaf as a sample. A detector 130 having a supply power of 875 W, a Cr target, an X-ray source 110 with a focal size of 70 μm, and a pixel size of 0.65 μm (spatial resolution of 0.65 μm) was used. The distance L between the X-ray source 110 and the sample 500 was 250 mm. 6A shows a plant photographed when the distance d between the sample 500 and the detector 130 is 1 mm, and FIG. 6B shows a plant photographed when the distance d between the sample 500 and the detector 130 is 5 mm. It is a figure which shows the X-ray-transmission image of the cell.

図6(a)に示すように、距離dが1mmのとき、細胞壁のエッジが強調されない吸収コントラストによるX線透過画像が得られた。このとき、f(λ,d)が0.5μmであり、検出器の分解能Δ=0.65μmより小さい。また、図6(b)に示すように、距離dを5mmにすると、細胞壁のエッジが強調されたX線透過画像が得られた。このときf(λ,d)が1.1μmとなり、検出器の分解能Δ=0.65μmより大きな値となっている。このようにd/Lが1より十分に小さい0.1、f(λ,d)が上記の数式(1)を満たす配置でX線画像を撮影し、ミクロンオーダーで輪郭の明瞭な位相コントラストによる画像を得ることができた。   As shown in FIG. 6 (a), when the distance d was 1 mm, an X-ray transmission image with an absorption contrast in which the edge of the cell wall was not emphasized was obtained. At this time, f (λ, d) is 0.5 μm, which is smaller than the detector resolution Δ = 0.65 μm. In addition, as shown in FIG. 6B, when the distance d was set to 5 mm, an X-ray transmission image in which the edge of the cell wall was emphasized was obtained. At this time, f (λ, d) is 1.1 μm, which is larger than the resolution Δ = 0.65 μm of the detector. In this way, an X-ray image is taken in an arrangement in which d / L is sufficiently smaller than 1 and f (λ, d) satisfies the above formula (1), and the phase contrast is clear on the micron order. I was able to get an image.

(実施例2)
上記の実施例と同様の条件で、カーボンファイバーレインフォースドプラスティック(CFRP、炭素繊維強化樹脂)を試料として吸収コントラストを用いたX線透過画像を撮影し、3次元CT再構成を行った。X線源110と試料500との間の距離Lは250mmとし、試料500と検出器130との距離dを上記2つの例の中間である2〜3mmに配置し、位相コントラストが強調されすぎないよう調整して撮影した。
(Example 2)
Under the same conditions as in the above examples, an X-ray transmission image using absorption contrast was taken using a carbon fiber reinforcement plastic (CFRP, carbon fiber reinforced resin) as a sample, and three-dimensional CT reconstruction was performed. The distance L between the X-ray source 110 and the sample 500 is 250 mm, and the distance d between the sample 500 and the detector 130 is arranged at 2 to 3 mm, which is between the above two examples, and the phase contrast is not overemphasized. Adjusted so that it was shot.

図7(a)、(b)、(c)は、それぞれカーボンファイバーレインフォースドプラスティック(CFRP、炭素繊維強化樹脂)の直交する2つの断面および拡大断面のCT画像である。カーボン繊維は繊維方向の強度は高いが、それ以外の方向の強度は十分でないため、多数の方向の繊維を多層に積み重ねている。図7に示すように、ファイバー内では、方向を変えて積み重ねられたカーボン繊維、これを繋いでいるプラスチック、さらにその隙間等を明瞭に区別して観察することができた。なお、クラック状の大きな隙間は、界面で結合が破壊されて生じたものである。   FIGS. 7A, 7B, and 7C are CT images of two orthogonal cross sections and an enlarged cross section of a carbon fiber reinforcement plastic (CFRP, carbon fiber reinforced resin), respectively. Carbon fibers have high strength in the fiber direction, but the strength in other directions is not sufficient, and therefore fibers in many directions are stacked in multiple layers. As shown in FIG. 7, carbon fibers stacked in different directions, plastics connecting them, and gaps between them could be clearly distinguished and observed. Note that the large crack-shaped gap is generated by breaking the bond at the interface.

(実施例3)
また、上記の実施例と同様の条件で、蟻の足の関節部分を試料として吸収コントラストを用いたX線透過画像を撮影し、3次元CT再構成を行った。X線源110と試料500との間の距離Lは250mmとし、試料500と検出器130との距離dを2〜3mmに調整して撮影した。図8(a)、(b)は、それぞれ蟻の足を垂直に切断した断面、足に沿った方向の断面のCT画像である。図8(a)、(b)に示すように、足の外骨格の内部に、液体とそれに包まれた筋肉繊維があるのが観察できた。このようにd/Lが1より十分に小さい0.008〜0.012程度でX線画像を撮影し、ミクロンオーダーで明瞭なCT画像を得ることができた。以上のように、ミクロンオーダーの分解能を有するX線顕微鏡を実現できることを実証できた。
(Example 3)
Further, under the same conditions as in the above example, an X-ray transmission image using absorption contrast was taken using the joint portion of the ant's foot as a sample, and three-dimensional CT reconstruction was performed. The distance L between the X-ray source 110 and the sample 500 was 250 mm, and the distance d between the sample 500 and the detector 130 was adjusted to 2 to 3 mm. FIGS. 8A and 8B are CT images of a cross section obtained by vertically cutting an ant's foot and a cross section in a direction along the foot, respectively. As shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), it was observed that there was a liquid and muscle fibers wrapped in it inside the exoskeleton of the foot. In this way, an X-ray image was taken at a d / L of about 0.008 to 0.012 which is sufficiently smaller than 1, and a clear CT image on the micron order could be obtained. As described above, it was proved that an X-ray microscope having a resolution of micron order can be realized.

[第2の実施形態]
上記のX線源110には、発散X線をX線光学素子で集光して形成された微小な焦点を仮想光源として用いることができる。図9は、X線源110として仮想光源を生成するコンフィグレーションを示す図である。図9に示すように、仮想光源を生成するコンフィグレーションは、発散X線を放射する現実のX線源210、第1のミラー220、第2のミラー230(X線光学素子)により構成されており、その結果、仮想光源のX線源110を発生させることができる。
[Second Embodiment]
In the X-ray source 110, a minute focus formed by converging divergent X-rays with an X-ray optical element can be used as a virtual light source. FIG. 9 is a diagram showing a configuration for generating a virtual light source as the X-ray source 110. As shown in FIG. 9, the configuration for generating a virtual light source is composed of an actual X-ray source 210 that emits divergent X-rays, a first mirror 220, and a second mirror 230 (X-ray optical element). As a result, the X-ray source 110 of the virtual light source can be generated.

このようにして得られる仮想光源サイズは、100μm以下にすることが好ましい。仮想光源サイズは、50μm以下または20μm以下であればさらに好ましい。仮想光源サイズが10μm〜数十μmであれば、1μm程度の分解能を有するX線画像を得る上で効果が大きくなる。なお、ピンホールやスリットを用いて仮想光源を整形し、適切なサイズの光源を得ることもできる。   The virtual light source size obtained in this way is preferably 100 μm or less. The virtual light source size is more preferably 50 μm or less or 20 μm or less. When the virtual light source size is 10 μm to several tens of μm, the effect is great in obtaining an X-ray image having a resolution of about 1 μm. A virtual light source can be shaped using a pinhole or slit to obtain a light source of an appropriate size.

図9に示すように、第1のミラー220は、現実のX線源210で発生したX線を、支持台120に平行な面内で反射させ、第2のミラー230は、第1のミラー220で反射されたX線を支持台120に垂直な面内で反射する。   As shown in FIG. 9, the first mirror 220 reflects X-rays generated by the actual X-ray source 210 in a plane parallel to the support table 120, and the second mirror 230 is the first mirror. The X-ray reflected by 220 is reflected in a plane perpendicular to the support table 120.

第1のミラー220、第2のミラー230には、たとえば多層膜ミラー(多層膜光学素子)を用いることができる。これにより、第1のミラー220による集光および第2のミラーによる集光について、特性線(CuKα)の波長のX線のみを選択的に取り出すことができる。また、X線の入射位置により格子定数を変化させることができるため、入射角が変わったときでも格子定数を調整して回折を起こさせることができる。   As the first mirror 220 and the second mirror 230, for example, a multilayer film mirror (multilayer film optical element) can be used. Thereby, only the X-rays having the wavelength of the characteristic line (CuKα) can be selectively extracted with respect to the condensing by the first mirror 220 and the condensing by the second mirror. Further, since the lattice constant can be changed depending on the incident position of the X-ray, diffraction can be caused by adjusting the lattice constant even when the incident angle changes.

第1のミラー220、第2のミラー230は、結晶板(結晶光学素子)で構成されていてもよい。これにより、たとえば、第1または第2のミラーはKα1のX線だけを取り出すことができる。また、第1のミラー220、第2のミラー230を全反射ミラーで構成し反射X線の波長を長波長に制限してもよい。   The first mirror 220 and the second mirror 230 may be formed of a crystal plate (crystal optical element). Thereby, for example, the first or second mirror can take out only the X-ray of Kα1. Alternatively, the first mirror 220 and the second mirror 230 may be configured by total reflection mirrors to limit the wavelength of the reflected X-rays to a long wavelength.

このように多層膜ミラーや結晶板により得られる単色の仮想光源を用いることにより、一つのλで撮影できる。この結果、吸収係数も定量的に算出でき、定量的な密度情報を持つCT再構成が容易になり、定量的な濃度のマッピングも可能になる。また、仮想光源を用いることで焦点サイズを小さくする一方で、X線の発生に十分な電力を維持することができる。   Thus, by using a monochromatic virtual light source obtained by a multilayer mirror or a crystal plate, it is possible to photograph with one λ. As a result, the absorption coefficient can also be calculated quantitatively, CT reconstruction with quantitative density information is facilitated, and quantitative concentration mapping is also possible. In addition, by using a virtual light source, the focal spot size can be reduced, while sufficient power can be maintained to generate X-rays.

100 X線画像撮影装置
110 X線源(仮想光源を含む)
120 支持台
130 検出器
210 X線源(現実のX線源)
220 第1のミラー(第1のX線光学素子)
230 第2のミラー(第2のX線光学素子)
500 試料
L X線源から試料までの距離
d 試料から検出器までの距離
f 位相コントラスト(ピーク位置と谷位置との間の距離)
S X線源の焦点サイズ
δ 投影される像の大きさ
Δ 検出器の分解能
100 X-ray imaging apparatus 110 X-ray source (including virtual light source)
120 Support stand 130 Detector 210 X-ray source (real X-ray source)
220 First mirror (first X-ray optical element)
230 Second mirror (second X-ray optical element)
500 Sample L Distance from X-ray source to sample d Distance from sample to detector f Phase contrast (distance between peak position and valley position)
S Focus size of X-ray source δ Projected image size Δ Detector resolution

Claims (7)

有限の大きさをもつX線源を用い、高い空間分解能で微細な構造を撮影可能にするX線画像撮影方法であって、
X線源から試料までの距離をL、前記試料から検出器までの距離をdとするとき、d/Lが1より十分に小さく、
前記X線源から照射されるX線の波長をλとし、前記検出器の分解能をΔとするとき、以下の数式を満たすことを特徴とするX線画像撮影方法。
An X-ray imaging method that enables imaging of a fine structure with high spatial resolution using an X-ray source having a finite size,
When the distance from the X-ray source to the sample is L and the distance from the sample to the detector is d, d / L is sufficiently smaller than 1,
An X-ray imaging method characterized by satisfying the following formula, where λ is the wavelength of X-rays emitted from the X-ray source, and Δ is the resolution of the detector.
前記d/Lが0.1以下であることを特徴とする請求項1記載のX線画像撮影方法。   2. The X-ray imaging method according to claim 1, wherein the d / L is 0.1 or less. 前記X線源の焦点サイズは、前記Δより十分に大きいことを特徴とする請求項1または請求項2記載のX線画像撮影方法。   The X-ray imaging method according to claim 1, wherein a focal spot size of the X-ray source is sufficiently larger than the Δ. 前記検出器は、2μm以下の空間分解能を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のX線画像撮影方法。   The X-ray imaging method according to claim 1, wherein the detector has a spatial resolution of 2 μm or less. 前記X線源が用いられる際の供給電力は30W以上であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のX線画像撮影方法。   The X-ray imaging method according to any one of claims 1 to 4, wherein the power supplied when the X-ray source is used is 30 W or more. 前記X線源には、発散X線をX線光学素子で集光して形成された微小な焦点を仮想光源として用いることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のX線画像撮影方法。   6. The X-ray source according to claim 1, wherein a minute focal point formed by converging divergent X-rays with an X-ray optical element is used as the virtual light source. Line image shooting method. 有限の大きさをもち、X線を発生させるX線源と、
前記発生したX線が照射される試料を支持する支持台と、
前記試料を透過したX線を検出する検出器と、を備え、
前記X線源から前記試料までの距離をL、前記試料から前記検出器までの距離をdとするとき、前記X線源、支持台および検出器の配置を調整し、d/Lを1より十分に小さくして、前記試料の微細な構造を撮影可能にすることを特徴とするX線画像撮影装置。
An X-ray source having a finite size and generating X-rays;
A support for supporting the sample irradiated with the generated X-ray;
A detector for detecting X-rays transmitted through the sample,
When the distance from the X-ray source to the sample is L and the distance from the sample to the detector is d, the arrangement of the X-ray source, the support base and the detector is adjusted. An X-ray imaging apparatus characterized by being sufficiently small so that the fine structure of the sample can be imaged.
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